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Modulationsumformer zur Umwandlung frequenzmodulierter in amplitudenmodulierte
Schwingungen Die Erfindung bezieht sich auf einen Modulationsumformer zur Umwandlung
frequenizmodulierter in amplitudenmodulierte Schwingungen sowie auf eine Frequenzdiskriminatoranordnung
mit einem derartigen Modulationsumformer, welche besonders zur Verwendung für einen
Demodulator von geringem Eigenklirrfaktor geeignet ist. Derartige Demodulatoren
werden besonders für Meßzwecke gebraucht, beispielsweise für die Klirrfaktorbestimmung
an frequenzmodulierten. Ultrakurzwellensendern.
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Bei bekannten Diskriminatoranordnungen ist es außerordentlich schwierig,
genügend kleine Eigenklirrfaktoren, besonders bei größeren Frequenzhüben, zu erzielen.
Die Gründe hierfür liegen hauptsächlich in der Art der verwendeten Modulationsumformer.
Als in dieser Hinsieht günstigste Anordnung wurde bisher der sogenannte Phasendiskriminator
verwendet. Bei dieser wurden die entsprechend den Frequenzänderungen auftretenden
Phasendrehungen ausgenutzt, welche eine Spannung erfährt, die an einem auf die mittlere
Arbeitsfrequenz abgestimmten Schwingungskreis von der zu demodulierenden oder zu
überwachenden Schwingung erzeugt wird. Diese Spannung von veränderlicher Phasenlage
wird zusammen mit einer zweiten um go° gegenüber der ursprünglichen Schwingung phasenverschobenen
Spannung einer Modulatoranordnung, beispielsweise einem Diodengegentaktmodulator,
zugeführt. Die Erzeugung der notwendigen Spannung mit go° Pihasenverschiebuig wurde
auf verschiedene Weise vorgenommen.
Es seien kurz die Ursachen erwähnt,
welche bei derartigen Anordnungen die Erzielung sehr kleiner Klirrfaktoren erschweren.
Die bekannten Anordnungen verwenden zur Erzeugung einer phasenveränderlichen Spannung
einen Parallelresonanzkreis, dessen mit der Frequenz veränderlicher und bei der
Resonanzfrequenz mit Vorzeichenwechsel durch Null gehender Blindwiderstand für die
Phasendrehung mit der Frequenz ausgenutzt wird. Beiderseits symmetrisch zur Nullstelle
liegen bekanntlich zwei Maxima entgegengesetzter Richtung, zwischen denen der für
die Demodulation ausnutzbare Arbeitsfrequenzbereich liegt. Der Abstand der Maxima
ist bestimmt durch die Güte des Kreises, so daß für vorgegebene Frequenzhübe die
Kreisgüte entsprechend zu wählen ist, und zwar in dem Sinne, daß für .größere Frequenzhübe
Kreise geringerer Güte verwendet werden müssen. Hierdurch und durch die in der Anordnung
zur festen 9o°'-Phasenverschiebung entstehenden Phasenfehler ergeben sich Verlagerungen
des Nullpunktes der Diskriminatoekurve, welche einen. quadratischen Klirrfaktor
verursachen. Durch die natürliche Krümmung der Blindwiderstandskurve sowie durch
den gleichfalls mit der Frequenz veränderlichen Wirkwiderstand der Kreise, der eine
Amplitudenmodulation zur Folge hat, entstehen Verzerrungen höherer Ordnung.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur VermeidÜng dieser Nachteile
bekannter Di.skriminatoren die phasenveränderliche Spannung von einem Serienreson.anzkreis
herzuleiten. Es ergibt sich dadurch die Möglichkeit, .die Kreisgüte bei vorgegebenen
Frequenzbandbreiten grundsätzlich beliebig'hoch zu wählen und gegebenenfalls als
Serienresonanz'kreis einen Piezokörper zu verwenden. Derartige Anordnungen lassen
bei sorgfältiger Einstellung die Erzielung sehr geringer Klirrfaktoren zu. Sie bedürfen
jedoch zur Erhaltung ihrer günstigen Eigenschaften einer Überwachung und gelegentlich
auch einer Nachregelung.
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Die Erfindung macht von den Vorteilen Gebrauch, welche die Benutzung
der räumlichen Spannungsverteilung in einem nicht quasi-stationären System für .die
Zwecke eines Modulationswandlers bietet. Ein Modulationswandler zur Umwandlung frequenzmodulierter
in amplitudenmodulierte Schwingungen mit homogener Hochfrequenzdoppelleitung, die
von einem Ende her mit den frequenzmodulierten Schwingungen gespeist wird und dm
anderen Ende leerlaufend oder kurzgeschlossen ist, soll erfindungsgemäß eine derartige
elektrische Länge besitzen, daß auf der Doppelleitung wenigstens ein, Spannungsknoten
der mittleren Trägerfrequenz fo liegt, und die Abnahme der amplitudenmodulierten
Spannung soll zwischen den beiden Leitern neben der Stelle des Spannungsknotens
erfolgen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung wird: ohne weiteres verständlich,
wenn man bedenkt, daß der Abstand, des Spannungsknotens, von dem offenen oder kurzgeschlossenen
Ende der Leitung jeweils geradzahlige bzw. ungeradzahlige Vielfache von einem Viertel
der Betriebswellenlängebeträgt. Mit veränderlicher Frequenz wandert daher der Spannungsknoten
auf der Leitung und kommt der Abnahmestelle der Spannung näher oder entfernt sich
von ihr, so @daß die dort abgenommene Spannung neben den Frequenzänderungen nun
auch Amplitudenänderungen aufweist.
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Der große Vorzug dieser Anordnung, welche die räumlichen Ausbreitungsvorgänge
der elektrischen Wellen und ihre Längenunterschiede ausnutzt, liegt in der großen
Einfachheit der zugrunde liegenden elektrischen Vorgänge sowie der dadurch gebotenen
Möglichkeit einer exakten rechnerischen Behandlung und Vorbestimmun.g der bei den
verschiedenen Frequenzhüben zu erwartenden Verzerrungen und in der praktisch vollkommenen
Unveränderlichkeit der elektrischen Eigenschaften.
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Ein weiterer Vorteil des Modulationsumwandlers nach der Erfindung
besteht darin, daß am Ende der Leitung kein unsymmetrisch angekoppelter Schwingungskreis
vorhanden ist und daß infolgedessen keine quadratischen Verzerrungen entstehen können.,
wie sie bei den bekannten Einrichtungen auftreten müssen.
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Besondere Bedeutung :besitzt für die Praxis eine Anordnung mit Gegentaktgleichrichtung.
Der dafür erforderliche Modulationswandler besitzt demgemäß Einrichtungen, um beiderseits
symmetrisch zum Spannungsknoten entgegengesetzt mit der Frequenz amplitudenveränderliche
Spannungen abzunehmen.
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Bei einem Frequenzdiskriminator nach der Erfindung wird die Doppelleitung
zweckmäßigerweise als koaxiale Rohrleitung ausgeführt, auf welcher stehende Wellen
der Betriebsschwingung erzeugt werden. Auf der einen und der anderen Seite eines
für die ummodulierte Trägerwelle sich ergebenden Spannungsknotens und in praktisch
gleichem Abstand von diesem ist je eine Diode angekoppelt und .die Gleichstromausgänge
der beiden Dioden sind gegeneinandergeschaltet. Die Länge der Leitung kann ungefähr
gleich der Hälfte einer Betriebswellenlänge gemacht werden oder auch größer sein.
Wenn eine am Ende offene Leitung verwendet wird, genügt eine Länge gleich der halben
Betriebswellenlänge. Es müssen dann Mittel zur Änderung der elektrischen Länge der
Leitung vorgesehen sein, z. B. ausziehbare Rohrleitungsstücke od. dgl. Wird eine
am Ende kurzgeschlossene Leitung verwendet, so vereinfachen sich die Mittel zur
Änderung der elektrischen Leitungslänge, da dann am Ende ein Kurzschlußsdhieber
verwendet werden kann; die Länge muß jedoch dann etwas größer, nämlich ungefähr
gleich drei viertel Wellenlänge, sein.
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In der Zeichnung ist eine Anordnung mit Kurzschlußschieber dargestellt.
Die Doppelleitung besteht aus dem Mantel i und dem Innenleiter z. Ihre elektrische
Länge kann durch den Kurzschlußschieber 3 verändert «erden. Am anderen Ende ist
die Empfangsantenne .4 über den Schwingungskreis 5 an die Leitung angekoppelt. Der
Schwingungskreis ermöglicht den Übergang von der erdsymmetrischen Antenne auf die
erdunsymmetrische
Leitung und bewirkt zugleich eine Aussiebung von
Oberwellen, deren Anwesenheit das Demodulationsergebnis stören könnte.
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Über der Leitung ist die Spannungsverteilung U dargestellt. Mittels
der Kondensatoren 6 und 7 sind die Dioden 8 und 9 in gleichen Abständen beiderseits
des Spannungsknotens an die Leitung angekoppelt. Die konzentrierte kapazitive Belastung
der Leitung durch .die Dioden wird durch die passend dimensionierten Drosselspulen
io und i i kompensiert, über welche gleichzeitig der Richtstrom weitergeleitet wird.
Die Drosselspulen 12 und 13 dienen zur Hochfrequenzsperrung. Um die beiden Dioden
auf gleiche Empfindlichkeit, d. h. auf gleiche Richtströme bei gleichen Eingangsspannungen
einstellen zn können, sind die veränderlichen Kondensatoren 14 und 15 vorgesehen.
Über die Widerstände 16, 17, 18, i9 sind die Gleichstromausgänge der Dioden zusammengeschaltet.
Die Differenz ihrer Ausgangsspannungen kann an der Klemme 20 .gegen Erde abgenommen
werden.
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Wenn 1g und 1, die Abstände der Dioden 8 und 9 vom Kurzschlußschieber
sind und wenn ferner dafür gesorgt ist, daß die Spannung U am Eingang der Leitung
keine Amplitudenmodulation aufweist, was durch eine Prüfung mittels einer nicht
dargestellten ,dritten Diode leicht 'kontrolliert werden kann, so ist die Anzeige
der zusammengeschalteten Dioden 8 und 9 proportional
wobei c eine Konstante ist. Für die mittlere Frequenz fo ist diese Spannung gleich
Null. Für eine geänderte Frequenz ergibt sich eine Spannungsänderung d U,
deren Entwicklung in eine Reihe zu folgendem Ausdruck führt:
Wählt man bei 3 m Wellenlänge 1a = 1,6 m und 19 = 1,4 m, so liefert bei der
außerordentlich großen Verstimmung von das zweite Glied einen quadratischen Klirrfaktor
von o,2%o und das dritte Glied einen kubischen Klirrfaktor von 0,0q0/00. Eine solche
Anordnung ist also wegen ihres streng definierbaren und unveränderlichen Eigenklirrfaktors
hervorragend zur Überwachung von Modulationsanordnungen in Ultrakurzwellensendern
geeignet. An den Dioden entsteht eine Amplitudenmodulation von i50/0, und bei einer
Scheitelspannung am Eingang von 25 Volt stehen an den Dioden 5 Volt; man gewinnt
eine Nutzspannung von 15 Volt Scheitelwert. Vor Beginn der Messung werden die beiden
Dioden mittels der Trimmer iq und 15 auf gleiche Anzeigeempfindlichkeit eingestellt.
Der Kurzschlugschieber wird so eingestellt, daß sich für f9 der Spannungsknoten
in der geometrischen Mitte zwischen den Ankopplungsstellen der beiden Dioden befindet.
Ob die geometrische Mitte mit der elektrischen Mitte identisch ist, kann durch Umkehrung
der Speisungsrichtung nachgeprüft werden.
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Es ist vorteilhaft, die Leitung dämpfungsarm auszuführen. Es ist ohne
weiteres verständlich, daß bei großen Leitungsdämpfungen die reflektierte Welle
nicht mehr praktisch der hinlaufenden Welle amplitudengleich sein kann, wodurch
die Symmetrie der Spannungsverteilung der stehenden Welle beiderseits des Knotens
gestört werden würde. Es lassen sich bei den üblichen Leitungskonstruktionen ohne
Schwierigkeiten Verhältnisse erzielen, die es erlauben, das kurze verwendete Leitungsstück
als praktisch verlustlos anzusehen. Auch der Energieentzug durch die Dioden ist
praktisch vernachlässigbar. Die gesamte Dämpfung, kann daher in der Antenne 4 konzentriert
angenommen werden. Um auf einen räumlich verkleinerten Aufbau zu kommen, können
die außerhalb der Ankopplungsstellen der Dioden liegenden Leitungsabschnitte durch
konzentrierte Schaltelemente nachgebildet werden.